Zonnecellen in je oog: bionische implantaten op komst

Denk jij dat je zonnepanelen inmiddels wel kent? Think again. Australische wetenschappers werken aan pv-cellen in je oog: micro-paneeltjes die daar stroom opwekken voor elektronische oogprotheses. (En nee, salderen wordt daarbij geen issue.)

Een zonnecel implanteren in een menselijkoog – dat klinkt naar science fiction en de (toen) super spannende jaren 70 sci-fi actieserie ‘Six Million Dollar Man’. Toch is dat precies waar een team Australische wetenschappers aan werkt. Voor een uiterst vredelievende toepassing: de technologie kan het leven van mensen met ongeneeslijke oogziekten of -schade flink verbeteren.

Neuroprothesen

Bij dit opzienbarende idee draait alles om zogeheten ‘neuroprothesen’. Dit zijn prothesen waarbij technische sensoren de taak overnemen van onze biologische zintuigen. Een goed voorbeeld: het cochleair implantaat voor mensen met gehoorbeschadiging. Daarbij neemt een klein elektronisch apparaatje de functie over van het trommelvlies en aambeeld: het wordt operatief in het binnenoor geïmplanteerd en geeft geregistreerde geluidsprikkels direct door aan de gehoorzenuw, die de signalen rechtstreeks naar de hersenen stuurt. Letterlijk een bypass voor een beschadigd oor.

‘Bypass’ in je oog

Nu onderzoeken wetenschappers van de Universiteit van New South Wales (UNSW) zo’n bypass-mogelijkheid ook voor het oog door middel van oogsensor-chips als ‘vervangend netvlies’. Die kunnen beeld geven van hoge resolutie, extreme kleurdiepte en toenemende gevoeligheid bij weinig licht. Dit zou ideaal zijn voor mensen bij wie het netvlies door veroudering verslechtert (zogeheten macula- of netvlies-degeneratie), of bij wie de lichtreceptoren in het netvlies zijn beschadigd, waardoor ze lichtsignalen niet meer kunnen doorgeven aan de oogzenuw en de hersenen. Bijvoorbeeld als gevolg van retinitis pigmentosa (RP), een groep zeldzame genetische oogziekten waarbij je fotoreceptoren versneld verouderen en afbreken, met (gedeeltelijke) blindheid tot gevolg. Er is één belangrijke uitdaging: zulke prothesen hebben stroom nodig. Zeker bij oogprothesen is dat een lastige. Want hoe krijg je jarenlang stroom in je oog, zonder hinderlijke (en ontstekingsgevoelige) draadjes of het verwisselen van batterijtjes?

Fotovoltaïek ‘meets’ biogeneeskunde

Dat bracht Udo Römer, ingenieur in fotovoltaïsche technologie, op het idee van zonnepanelen in je oog. Aanleiding was een toevallige ontmoeting met een student biomedische wetenschappen. “Ik hielp een promovendus en we hadden een aantal interessante discussies over alle verschillende onderzoeken die in hun groep worden gedaan”, aldus Römer. “Ik werk graag aan zonnecellen, maar veel van wat zij doen is ook superinteressant en behoorlijk futuristisch. Zijn PhD-project ging over zonnecellen voor neurale stimulatie, en hij liet me een onderzoekspaper zien van de Palanker Group in Stanford over netvliesimplantaten met silicium zonnecellen – waarschijnlijk een van de meest fascinerende papers die ik heb gelezen omdat het klinkt als science fiction.”

Vergevorderd onderzoek

Aanvankelijk werd Römer afgeschrikt door het al vergevorderde onderzoek naar het gebruik van fotovoltaïsche cellen om het gezichtsvermogen te herstellen, dus legde hij het idee naast zich neer. “Maar het was iets dat in mijn hoofd bleef hangen omdat het zo geweldig was”, legt hij uit. “Een paar maanden later, toen ik een onderzoeksproject besprak met mijn supervisor, hadden we het over zonnecellen met meerdere verbindingen, die in feite bestaan uit een paar verschillende zonnecellen die op elkaar gestapeld zijn om het volledige zonnespectrum beter te benutten. Op dat moment klikte het en dacht ik: Misschien kan het stapelen van zonnecellen een van de complicaties oplossen van het apparaat waar de Palanker Groep aan werkt.”

Zonnecellen stapelen

Volgens Römer konden de problemen van de Palanker Groep worden opgelost door zonnecellen te stapelen en het halfgeleidermateriaal van het apparaat te veranderen. “Ze moesten drie kleine silicium-zonnecellen met elkaar verbinden in elk van de pixels om de spanning te verhogen tot een waarde die hoog genoeg is om neuronen betrouwbaar te stimuleren”, aldus de ingenieur. “Daarvoor is namelijk een hoger voltage nodig dan wat je krijgt van één zonnecel. Als je fotoreceptoren voorstelt als pixels, dan hebben we echt drie zonnecellen nodig om genoeg spanning te creëren om een signaal naar de hersenen te kunnen sturen. Door zonnecellen te stapelen zou dat kunnen: dan krijg je genoeg energie én voldoende kleine pixels voor de gewenste resolutie.”

Na uitgebreid onderzoek en berekeningen diende Römer een Discovery Early Career Researcher Award (DECRA) aanvraag in bij de Australian Research Council en kreeg Römer financiering voor het project. Daarna was het volle kracht vooruit om de technologie te verbeteren. “Er zijn al eerder proeven mee gedaan”, zegt hij. “Maar daarbij moesten nog altijd draden het oog in, wat een ingewikkelde procedure is. Met een klein zonnepaneel ín de oogbol zou het oog zichzelf van energie kunnen voorzien, zonder draden of batterijen.”

Proof-of-concept

De technologie bevindt zich momenteel in de proof-of-conceptfase. De volgende stap is om de piepkleine zonnecellen om te zetten in de piepkleine pixels die nodig zijn voor nauwkeurig zicht.
“Tot nu toe hebben we met succes twee zonnecellen op elkaar geplaatst in het lab op een groot oppervlak – ongeveer 1 cm2 – wat goede resultaten heeft opgeleverd.”

Römer verwacht dat na uitgebreide laboratoriumtesten en testen in diermodellen het apparaat ongeveer 2 mm2 groot zal zijn, met pixels van ongeveer 50 micrometer. Tegen die tijd zou het klaar moeten zijn voor tests op mensen.

Laserlicht

Römer merkt op dat deze oplossing vooralsnog alleen werkt met gebruik van laserlicht, en dat het zicht van de patiënten hiermee nog altijd beperkt blijft tot zwart-wit met een vrij lage resolutie. “Zonlicht alleen is voor deze toepassing waarschijnlijk niet sterk genoeg”, aldus de onderzoeker. “Mensen zullen misschien een soort bril of slimme bril moeten dragen die samenwerkt met de zonnecellen die het zonnesignaal kunnen versterken tot de vereiste intensiteit om neuronen in het oog op betrouwbare wijze te stimuleren.” (Upside van die bescheiden opbrengst: we voorzien bij deze ‘oogpanelen’ in de verste verte nog geen discussies over salderen ja/nee – red.) 

Laser-ogen. Dan zie je al snel het ene rode laseroog van de volgende filmheld voor je: Arnold Schwarzenegger’s Terminator. Volgens Römer is deze sci-fi toepassing echter puur civiel en medisch en niet bijvoorbeeld militair. “Dit is slechts een medisch apparaat dat patiënten met bepaalde ziekten kan helpen om wat zicht te behouden”, stelt hij terughoudend. “We zijn nog ver verwijderd van cyborgtoepassingen.”

(Bron: New Atlas / UNSW.)